C1200 Úvod do studia biochemie 4.2 Velké cykly prvků. OpVK CZ.1.07/2.2.00/

Transkript

1 C1200 Úvod do studia biochemie 4.2 Velké cykly prvků OpVK CZ.1.07/2.2.00/ Petr Zbořil

2 Biochemické cykly prvků Velké cykly prvků jako zobecnění přeměn látek při popisu jejich koloběhu Země jako superorganismus či bioreaktor Vlastnosti bioreaktoru Země

3 Biochemické cykly prvků Energetická a látková bilance Uzavřený systém Výměna energie Celkově ze Slunce TW 100% Albedo 32% Absorpce v atmosféře 18% Absorpce zemským povrchem 50% Přeměna do chemické formy 40 TW 0,02% Příspěvek geotermální energie 32 TW Vyzáření prostřednictvím atmosféry 68%

4 Velké (globální) cykly Povaha cyklů Globální a lokální Geologické, fysikální, chemické Látková a energetická bilance Bio(geo)chemické cykly - Velké cykly prvků Zobecnění komplikovaného souboru pochodů Cykly C, N, P, S Klíčový význam živých organismů Globální charakter v současné době

5 Superorganismus Země Země jako biochemický reaktor Homogenní x heterogenní systém Vzájemné vztahy dílčích pochodů Míchání a regulace

6 Cyklus uhlíku Anorganické formy CO 2, uhličitany, uhlí obsaženy v atmo-, hydro- i litosféře Organické formy biomolekuly, ropa, CH 4 obsaženy v biosféře i ostatních prostředích Přechody (geo)chemické a fysikální Přechody biochemické

7 Cyklus uhlíku Biochemické přeměny (zahrnují i cykly kyslíku a vodíku) Primární asimilační pochody fixace CO 2 asimilace do organických sloučenin Další přeměny bílkoviny, lipidy, nukleové kyseliny Disimilační pochody dekomposice organických sloučenin Výrazným znakem je spojitost s přeměnami energie

8 Cyklus uhlíku Asimilace fixace CO 2 (zejména fotosyntéza) - cesta z anorganické do organické formy 6 CO H 2 O = C 6 H 12 O O kj/mol Primární význam fixace CO 2 pro rovnováhu parametrů na Zemi Vývojové aspekty, vznik kyslíkaté atmosféry Energetický význam přímý (relativně malý vzhledem k celkovému toku) nepřímý ovlivněním tepelné propustnosti atmosféry

9 Cyklus uhlíku Typické znaky fixace CO 2 složitý proces zahrnující řadu dílčích kroků, vlastní fixace pomocí enzymu RUBISCO, nejvíce syntezovaným enzymem na Zemi limitována nedostatkem CO 2, při nadbytku světla je využívána specifická energeticky náročná přípravná cesta

10 Cyklus uhlíku Disimilační pochody potravní řetězce a pyramidy dekomposice pro získání energie zejména oxidační pochody kvantitativně převažují dekomposice přijatých látek a syntéza vlastních kvantitativně zaostávají, intensita závisí na typu a metabolickém (fysiologickém) stavu organismu

11 Cyklus uhlíku Vyrovnaná bilance asimilačních a disimilačních pochodů stacionární stav Porušení rovnováhy následkem nevyrovnané bilance převaha fixace uhlíku tvorba deposit převaha dekomposice mobilisace deposit

12 Cyklus uhlíku Vznik deposit cestou asimilace a anaerobní dekomposice organických sloučenin do stabilní formy ropa, uhlí, metan vznik ložisek fosilních paliv biogenní anorganické fixace CO 2 vznik vápencových ložisek Snížení množství uhlíku v koloběhu (množství CO 2 v atmosféře)

13 Cyklus uhlíku Mobilisace deposit Přirozenou cestou málo pravděpodobné Významné množství se přivádí zpět do koloběhu industriální činností člověka Těžba a využívání fosilních paliv - oxidační pochody a zisk energie Těžba a využívání vápencových deposit Zvýšení množství uhlíku v koloběhu (množství CO 2 v atmosféře)

14 Cyklus uhlíku

15 Cyklus uhlíku

16 Cyklus uhlíku Problémy snížení tepelné vodivosti atmosféry zvýšení teploty (skleníkový efekt) vyčerpání deposit zdrojů energie a vápenců Řešení Samočinná kompensace (funguje u vápenců, možnost zvýšení intensity fotosyntézy) Aktivní příspěvek ze strany člověka (snižování produkce CO 2, nová energetická politika, genetické manipulace)

17 Cyklus dusíku Anorganické formy N 2 v atmosféře, NH 4 + a dusičnany v hydro- a litosféře (i biosféře) Organické formy Aminosloučeniny (typicky bílkoviny), zejména v biosféře Přechody abiogenní Přechody biogenní

18 Cyklus dusíku Abiogenní přeměny dusíkatých látek Přirozené Oxidace N 2 elektrickými výboji v atmosféře N 2 + n O 2 = N x O y - význam spíše v evoluci Industriální Katalytická redukce N 2 N H 2 = 2 NH ,2 kj/mol (Fe, 500 o C, 30 MPa) 1% celosvětové produkce energie Tvorba N x O jako vedlejších produktů spalovacích procesů (automobilové motory)

19 Cyklus dusíku Biogenní přechody primární asimilace Fixace N 2, produkce NH 4 + Nitrogenázovým systémem katalysovaný pochod, nízkoteplotní analogie průmyslové výroby Vlastní omezenému okruhu mikroorganismů Další asimilační pochody Vznik aminokyselin a další cesty dusíku v organických molekulách

20 Cyklus dusíku Další biogenní procesy Disimilační dekomposice dusíkatých biomolekul produkce NH 4 + Oxidace NH 4 + na NO 3 - (nitrifikace) zisk energie Redukce NO 3 - až na N 2 (nitrátová respirace) zisk energie Asimilační Redukce NO 3 - na NH 4 + (denitrifikace na rozdíl od nitrogenázové dráhy vlastní více organismům i rostlinám) následovaná jeho inkorporací do organických sloučenin Cyklus přeměn uzavřen produkcí N 2 (nitrátová respirace)

21 Cyklus dusíku

22 Cyklus dusíku

23 Cyklus dusíku Problémy Produkce NH 4 biogenní a industriální Produkce N x O Řešení Konverse toxických produktů na inertní N 2 Inovace technologií a snížení jejich produkce

24 Cyklus síry Formy a výskyt síry Anorganické volná, sulfáty a sulfidy Především v litosféře (elementární, nerozpustné sulfidy a sulfáty), též hydrosféra a biosféra Ekologicky významné anorganické formy biogenního původu ve fosilních palivech Organické sulfo- a merkaptosloučeniny Biosféra (bílkoviny, polysacharidy)

25 Cyklus síry Přeměny sloučenin síry Abiogenní spontánní (sopečná činnost) industriální (oxidace síry při spalování fosilních paliv, výroba H 2 SO 4 a další) Biogenní přeměny Katabolické disimilační Anabolické - asimilační

26 Cyklus síry anaerobní aerobní S 2- S 0 S 2 O 3 2- SO 3 2- SO 4 2- Hlavní depositní formy Biosféra

27 Cyklus síry Problémy Aktivace depositních forem industriální činností Biogenní produkce kyselých vod jako nepřímý důsledek industriální činnosti Řešení Technologické způsoby nápravy (odsiřování) Biotechnologická opatření prevence

28 Cyklus fosforu Formy a výskyt Anorganické sloučeniny fosfáty, polyfosfáty Litosféra a hydrosféra i biosféra (kosti) Organické sloučeniny fosforečné estery a další biomolekuly Biosféra (nukleové kyseliny) Vzájemné přeměny Jednoduché vratné pochody, malá pestrost

29 Cyklus fosforu Porušení rovnovážného stavu Hromadění reserv a jejich uvolňování Depositní a cyklující formy Nerozpustné fosfáty v litosféře ložiska apatitu Rozpustné fosfáty produkované industriální činností člověka

30 Cyklus fosforu Problémy Významný pro růst, eutrofisace vod Řešení Omezení aplikace fosfátů a jejich úniku do vod Odstraňování z odpadních vod

31 Forma a výskyt Cykly kovů Anorganické, elementární, sloučeniny (i amfotery) Přirozeného původu Umělé vyrobené Organické, organokovové sloučeniny Většinou přirozené Lito- a hydrosféra, biosféra

32 Cykly kovů Přeměny, jejich zvláštnosti Jednoduché chemické reakce, změna vlastností Oxidoredukční pochody Soli (většinou jako kationty) Změna rozpustnosti event. toxicity deposita, usazeniny Asimilace a disimilace (biogenní kovy) Forma kovů v biomase Konverse omezená, v podstatě se nemění

33 Cykly kovů Problémy Toxicita, těžké kovy (Hg, Cd, Pb) Salinita Řešení Vhodné výrobní technologie Promyšlené nakládání s odpady, bioremediace

34 Biochemické cykly prvků Závěr Současný stav je následkem dosavadního vývoje Jsme adaptováni na dané podmínky Výrazné odchylky mohou být fatální Nutnost prognózy založené na poznání Problém je komplexní, vyčerpání deposit může být závažnější než produkce odpadů

35 Děkuji Vám za pozornost